首页 我的图书馆 个图VIP
宇宙中最重要的方程

2018-04-21


上周,在加拿大圆周理论物理研究所的一次活动中,邀请了14位科学家选出他们心中最喜爱的公式。不难想象,许多人都选了那些著名的基本方程组,包括万有引力定律、麦克斯韦方程、薛定谔方程等等。其中天体物理学家Ethan Siegel选出来的这个方程对宇宙学研究极其重要,却并不那么广为人知,它就是第一个弗里德曼方程,是在特定条件下从爱因斯坦的广义相对论中推导而得的。


PERIMETER INSTITUTE


1915年11月,爱因斯坦向柏林普鲁士科学院提交了一篇颠覆牛顿思想的论文。这篇论文的内容正是耗费了他十多年的心血所思考出的新引力理论:广义相对论,将弯曲的时空和宇宙中的物质和能量连接在一起。用约翰·惠勒的话来总结就是:时空告诉物质如何运动;物质告诉时空如何弯曲


爱因斯坦的理论重现了所有牛顿引力理论的所有成功,也解释了牛顿理论无法解决的水星进动问题,同时做出了一系列可检验的新预言。例如,广义相对论预言了星光经过大质量天体的时候会发生偏折,这个现象在1919年的日全食观测中被验证了。而在100年后,广义相对论所预言的引力波才被我们直接探测到,为探索宇宙打开了一扇新的窗口。


但唯一的问题是,当爱因斯坦将他的新理论应用在整个宇宙的时候,却遇到了麻烦。当时,爱因斯坦认为宇宙是静态的,但是广义相对论却预示着静态的时空是不稳定的,这意味着宇宙可以在引力的作用下发生坍缩。为了防止这种情况发生,爱因斯坦在他的方程中加入一个所谓的宇宙学常数



弯曲的时空。关于爱因斯坦将他的引力理论应用在宇宙学上的详情,推荐阅读:《1917年,爱因斯坦的一篇论文打开了宇宙学的新篇章》

到了1922年,年轻的弗里德曼(Alexander Friedmann)在专研了爱因斯坦理论背后晦涩难懂的数学后,找到了一个优美的方式来解救我们的宇宙,同时也不需要宇宙学常数,那就是不要假设宇宙是静止的!弗里德曼认为正如我们所观测到的,宇宙中充满了物质和辐射,并且是会弯曲的。他进一步假设,宇宙大致是各向同性(每个方向看起来都一样)均匀(宇宙各处的特性都一样)的。基于这些,就可以从广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程中推导出两个方程弗里德曼方程。这两个方程让我们知道,宇宙并不静止,而是膨胀或者收缩(取决于宇宙的膨胀率和成分)。更重要的是,它们还能告诉我们宇宙在过去或者将来将如何随时间而演化。


值得一提的是,在弗里德曼提出这个思想之前,我们还未曾发现宇宙正在膨胀,我们甚至还不能确定银河系之外是否存在着其它星系。但在不久后,哈勃基于勒维特(Henrietta Leavitt)造父变星的工作,成功测量了仙女座中造父变星的距离,从而推断银河系之外还有许多星系。到了1920年代末,勒梅特(Georges Lemaître)和哈勃都独立的找到了红移和距离的关系,从而发现宇宙正在膨胀。但那个时候,年轻的弗里德曼(1888年 - 1925年)却早已因伤寒症不幸去世。

○ 哈勃在仙女座星系发现的一颗造父变星,最终确认了仙女座位于银河系之外。推荐阅读:《是他,改变了我们的宇宙观》| 图片来源:E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team

而随着我们对宇宙更深入的理解,就会发现弗里德曼留下的科学遗产有多么的重要。在弗里德曼方程中,第一个是最重要的,它和观测有着最简单直接的联系。方程的一边相当于宇宙的膨胀率,或者更常被称之为哈勃常数。它告诉我们的是宇宙的构造会如何随着时间膨胀或收缩。



○ 第一个弗里德曼方程。


方程的另一边包含了所有的物质、辐射和其它任何组成宇宙的能量形式。方程中也包含了空间固有的曲率,取决于宇宙是闭合的(正曲率)、开放的(负曲率),或平坦的(零曲率)。方程中也加入了“Λ”项,代表的正是宇宙学常数,它可以是一种能量的形式或者空间固有的性质。(在哈勃发现宇宙在膨胀后,爱因斯坦认为加入宇宙学常数是自己一生中犯过最大的错误。但自上个世纪九十年代天文学家发现暗能量后,人们才意识到宇宙学常数的重要性可能一直被低估了。)


○ 一个始于大爆炸的、且不断膨胀的宇宙图景已经获得了许多科学证据的支持。| 图片来源:NASA / CXC / M. Weiss

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
下载APP,好文好书随时看
来自:好大水  > 科学及研究
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
支配宇宙的方程
UC头条:爱因斯坦最大的错误是什么?
宇宙演化的最重要公式:弗里德曼方程​
心平气和说宇宙(4)
宇宙在膨胀,人们是怎么发现的?| 宇宙学漫谈
物理学的佯谬系列之宇宙常数之谜(下)
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!